量子力學當中的自旋，可以看做與地球的自轉相類似嗎？

2020-11-07 愛較真的戴老師

不可以這樣看待，微觀粒子的性質往往是不能從宏觀物質的性質中來類推的。名字雖然叫自旋，但不全是旋轉的意思，學過原子物理和量子力學的朋友們都會知道，自旋其實是微觀粒子的基本屬性，和粒子的質量，所帶電荷一樣都是內稟的屬性，可以稱為內稟角動量，和運動狀態完全沒有關係。

首先是在1925年，由烏倫貝克與古茲密特提出了電子的自旋假設，這兩個年輕的研究生，認為電子不是點電荷，它除了軌道角動量外，還有自旋。但是如果真要電子的自旋看成旋轉的話，電子作為一個帶有電荷-e的小球，它如果能像陀螺一樣繞自身軸旋轉，那麼可以證明，自旋角動量為1/2的電子，在表面上的切向線速度將大大超過光速！這顯然不符合相對論的，所以這個電子的自旋和電子自轉是完全不同的。

後來的研究發現，電子自旋是量子效應， 不能作經典自轉之類的理解，沒有經典物理中相對應的物理量，並非電子轉動。電子自旋的存在，早在近百年前就被 斯特恩-蓋拉赫實驗，鹼金屬光譜，塞曼效應等經典的實驗所證實。

目前，物理學界把自旋稱為內稟角動量，例如電子自旋就是電子的一個內稟屬性，與其運動狀態無關，就好像質量、速度一樣，不是自轉的意思，它是電子內稟運動或電子內稟運動量子數的簡稱。

自旋是微觀粒子的固有屬性，需要了解的朋友，請查閱原子物理相關的書籍，涉及原子精細結構的章節。

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    雖然有時會與經典力學中的自轉（例如地球自轉）相類比，但實際的本質是迥異的。經典力學中的自轉，是物體對於其質心的旋轉，比如地球自轉是順著通過地心的極軸所作的轉動。角動量的另一種形式是軌道角動量，軌道角動量算符是軌道轉動的經典角動量的量子力學對應物，當角度變化時，波函數具有一定的周期性結構出現。
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    首先說，我們都住在地球上，日復一日，年復一年地跟著地球以每小時1674公裡的速度(赤道附近)繞地球自轉軸轉動著。這比最快的汽車速度還要快十倍以上。算起來差不多一晝夜轉40073公裡，就恰好是詩人說的「坐地日行八萬裡」呀!地球還要繞太陽一年轉一大圈，這一圈是九億多公裡，每小時差不多要跑十萬零八千公裡，比孫悟空一個跟鬥的距離還大一倍。
  • 自旋電子學
    於是，這便有了近年來對自旋電子學（spintronics）大量的理論開創及實驗研究。這個新術語的構造本身，就象徵著自旋和電子學的結合：spin加electronics= spintronics。圖17.1：自旋的性質人們經常將電子自旋類比於地球自轉。
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